Brązowienie

W odniesieniu do żywności określenie “brązowienie” dotyczy kilku różnych procesów, które można podzielić na reakcje brązowienia enzymatycznego i nieenzymatycznego.

Najbardziej powszechną reakcją brązowienia nieenzymatycznego jest reakcja Maillarda. Polega ona na szeregu reakcji chemicznych zachodzących pomiędzy cukrami i białkami, a jej produkty czynią żywność bardziej apetyczną. Przykładem są związki smakowo-zapachowe i barwne tworzące się w czasie wypieku chleba lub smażenia mięsa.

Innym przykładem reakcji brązowienia nieenzymatycznego jest karmelizacja, która zachodzi gdy ogrzewa się węglowodany/cukry zawarte w żywności. W wyniku karmelizacji następuje zróżnicowane zbrązowienie produktu i powstanie nowych związków smakowo-zapachowych. Karmelizacja jest ważna w procesie prażenia kawy, zaś handlowe formy karmelu są stosowane jako barwnik żywności i dodatek poprawiające smak i zapach.

Brązowienie enzymatyczne jest mniej pożądaną serią reakcji. Zachodzi w niektórych owocach i warzywach, gdy związki fenolowe reagują z tlenem atmosferycznym i w rezultacie powstają barwne kompleksy. W reakcji nie tworzą się związki smakowo- zapachowe lub jest ich niewiele. Przykłady to brązowienie naciętego jabłka i banana oraz brązowienie herbaty (od barwy zielonej do czarnej).

Karmelizacja

Karmelizacja jednym z najważniejszych procesów brązowienia żywności, do których należą także reakcje Maillarda i brązowienie enzymatyczne. Karmelizacja nadaje pożądaną barwę i zapach produktom piekarskim, ziarnu kawy, napojom, piwu i orzeszkom ziemnym. Przykładami niepożądanych skutków karmelizacji są zapach spalonego cukru i czarna barwa.

Karmelizacja powoduje istotne zmiany w żywności, nie tylko barwy ale także zapachu. Ponieważ w procesie karmelizacji nie uczestniczą enzymy, należy ona do reakcji brązowienia nieenzymatycznego.

Karmelizacja zachodzi w czasie suchego ogrzewania lub prażenia żywności zawierającej duże stężenie węglowodanów (cukrów).

W uproszczeniu, karmelizacja polega na oderwaniu cząsteczek wody z cukru (jak sacharoza lub glukoza) i następujących po tym procesów izomeryzacji i polimeryzacji. W rzeczywistości, proces karmelizacji jest szeregiem reakcji chemicznych, które wciąż nie są dostatecznie poznane.

Proces karmelizacji rozpoczyna się, gdy cukier stopi się w wysokiej temperaturze i zaczyna się pienić (wrzenie). Na tym etapie sacharoza rozkłada się do glukozy i fruktozy. Następnie zachodzi proces kondensacji, w którym poszczególne cukry tracą cząsteczki wody i wzajemnie ze sobą reagują tworząc na przykład bezwodnik fruktozy. W kolejnej fazie następuje izomeryzacja aldoz do ketoz i dalsze odwadnianie. W końcu, zachodzi szereg reakcji zarówno rozkładu (powstawanie związków zapachowych) jak i polimeryzacji (powstawanie barwy).

Karmelizacja rozpoczyna się w znacznie wyższej temperaturze, w porównaniu do innych reakcji brązowienia, a jej temperatura zależy od rodzaju cukru. Poniżej, w Tabeli 1 podano, początkową temperaturę karmelizacji niektórych pospolitych cukrów. Dane w tabeli dotyczą czystych substancji. W produktach żywnościowych zwykle występuje kilka różnych węglowodanów, a także inne składniki, które mogą mieć wpływ na temperaturę karmelizacji, jak również na poszczególne etapy reakcji, a w konsekwencji na powstałe związki zapachowe i związki barwne.

Tabela 1: Początkowa temperatura karmelizacji pospolitych węglowodanów

 

Cukier	Temperatura
Fruktoza	110° C
Galaktoza	160° C
Glukoza	160° C
Maltoza	180° C
Sacharoza	160° C

 

Największą szybkość zmiany barwy wykazuje fruktoza, ponieważ jej karmelizacja rozpoczyna się w niskiej temperaturze. Produkty piekarnicze sporządzone z miodem lub syropem fruktozowym są dlatego nieco ciemniejsze od tych sporządzonych z sacharozą.

W procesie karmelizacji wytwarza się kilka związków zapachowych oraz polimerowych form karmelu. Karmele są złożonymi mieszaninami różnych związków o dużej masie cząsteczkowej. Można je podzielić na trzy grupy:

• Karmelany (C₂₄H₃₆O₁₈)

• Karmeleny (C₃₆H₅₀O₂₅)

• Karmeliny (C₁₂₅H₁₈₈O₈₀)

Polimery te są często wykorzystywane jako barwniki w produktach żywnościowych, jak napoje typu cola, sos sojowy, słodycze i lody. Są oznaczone symbolem E150.

Karmel handlowy jest wytwarzany przez bezpośrednie ogrzewanie cukru lub przez ogrzewanie cukru w obecności amoniaku lub siarczynów. W rezultacie otrzymuje się karmele o zróżnicowanej barwie lub karmele obdarzone ładunkiem elektrycznym. Karmele stosowane do barwienia napojów bezalkoholowych powinny posiadać ładunek ujemny, aby zapobiec reakcji z fosforanami, następnie wytrącania się i utracie barwy. Z kolei, karmele stosowane w wyrobach piekarniczych powinny być obdarzone ładunkiem dodatnim.

Poszczególne fazy produkcji karmelu, o nazwach odnoszących się do charakterystyki otrzymanego produktu, przedstawiono w tabeli 2 poniżej. Faza tworzenia nici określa stan, w którym z ogrzewanego cukru można wyciągnąć miękką lub twardą nić, faza tworzenia kuli określa stan, w którym z cukru można uformować odpowiedni kształt, zaś faza określający pękanie oznacza, że cukier stwardnieje po schłodzeniu (i pęknie przy odkształcaniu). Nazwa karmel odnosi się do stanu, w którym następuje zmiana barwy.

Tabela 2: Etapy karmelizacji sacharozy (cukru stołowego)

 

Faza		Temperatura °C	Opis i zastosowanie
1	Odparowanie wody	100	Cukier jest stopiony, a zanieczyszczenia unoszą się na powierzchni.
2	Niewielka nić	102	Brak zmiany barwy, łatwe schładzanie, nie zmienia się zapach. Zastosowanie jako lukier.
3	Duża nić	104	Brak zmiany barwy, łatwe schładzanie, nie zmienia się zapach. Zastosowanie w konfiturach.
4	Niewielka kula	110 - 115	Brak zmiany barwy, trudniejsze schładzanie, nie zmienia się zapach. Zastosowanie w nadzieniach do ciast, włoskich bezach, masie pomadkowej, cukierkach krówkach i cukierkach ślazowych.
5	Duża kula	119 - 122	Brak zmiany barwy, gorsze schładzanie, nie zmienia się zapach. Zastosowanie w miękkich karmelach.
6	Łatwe pękanie	129	Brak zmiany barwy, gorsze schładzanie, nie zmienia się zapach. Zastosowanie w półtwardych cukierkach.
7	Trudne pękanie	165 - 166	Brak zmiany barwy, trudne schładzanie, nie zmienia się zapach. Zastosowanie w mlecznych i twardych cukierkach.
8	Bardzo trudne pękanie	168	Niewielka zmiana barwy, pęka się jak szkło przy schładzaniu, nie zmienia się zapach. Zastosowanie w twardych cukierkach.
9	Jasny karmel	180	Barwa blado-bursztynowa do złoto-brązowej, intensywny zapach.
10	Średni karmel	180 - 188	Barwa złoto-brązowa do kasztanowej, intensywny aromat.
11	Ciemny karmel	188 - 204	Bardzo ciemny i gorzki, zapach przypalony. Zastosowanie do barwienia, lecz brak odpowiedniej słodkości.
12	Czarny Jack	210	Nazywany także “małpia krew”. W tej fazie cukier zaczyna się rozkładać do czystego węgla. Zapach spalenizny

 

W reakcji karmelizacji powstają także związki zapachowe. Ważnym związkiem zapachowym, wytwarzanym w pierwszych fazach karmelizacji jest diacetyl. Diacetyl odpowiada za zapach maślany lub mlecznych cukierków. Diacetyl powstaje nie tylko w procesie karmelizacji, ale może być także wytwarzany przez bakterie w fermentowanych produktach, jak piwo i jogurt

Poza diacetylem, powstają setki innych związków zapachowych, na przykład furany jak hydroksymetylofurfural (HMF) i hydroksyacetylofurfuran (HAF), furanony jak hydroksydimetylofuranon (HDF), dihydroksydimetylofuranon (DDF), oraz maltol z dwucukrów i hydroksymaltol z cukrów prostych.

Hydroksymetylofurfural (HMF) jest składnikiem pszczelego miodu, soków owocowych, mleka, a także tytoniu papierosowego. Hydroksyacetylofuran (HAF) ma słodkawy zapach i niski próg wykrywalności. Maltol ma smak przypominający świeży chleb i jest stosowany jako dodatek wzmacniający smak (E636) w chlebie i ciastkach.

Reakcje Maillarda

Nazwa reakcji Maillarda pochodzi od nazwiska francuskiego chemika Louis Camille Maillarda (1878-1936), który badał reakcje pomiędzy aminokwasami i węglowodanami w 1912 r. w ramach pracy doktorskiej opublikowanej w 1913 r. (źródło 1).

Reakcja Maillarda nie jest pojedyncza reakcją lecz złożoną seria reakcji pomiędzy aminokwasami i cukrami redukującymi, zwykle zachodzącą w podwyższonej temperaturze. Podobnie do karmelizacji , należy do reakcji typu brązowienia nieenzymatycznego.

W reakcji tworzą się setki różnych związków smakowo-zapachowych. Z kolei, związki te ulegają rozkładowi do wielu więcej nowych związków podobnego rodzaju. Każdy rodzaj żywności posiada specyficzny skład związków smakowo-zapachowych, powstających w reakcji Maillarda.

Reakcje Maillarda są istotne w pieczeniu, smażeniu i przy ogrzewaniu prawie każdego rodzaju produktu żywnościowego. Odpowiadają (częściowo) za zapach chleba, ciastek, mięsa, piwa, czekolady, prażonej kukurydzy i gotowanego ryżu. W wielu produktach, na przykład w kawie, aromat tworzą produkty reakcji Maillarda i karmelizacji. Jednakże, karmelizacja zachodzi w temperaturze powyżej 120-150 °C, podczas gdy reakcja Maillarda już w temperaturze pokojowej.

Pomimo, że reakcję Maillarda bada się od prawie stu lat, jej złożoność powoduje, że wiele cząstkowych reakcji jest wciąż nieznanych. W powstawaniu produktów reakcji Maillarda odgrywa rolę wiele czynników, od których zależy także ostateczna barwa i zapach produktu. Należą do nich: pH (kwasowość), rodzaj aminokwasu i cukru, temperatura, czas, obecność tlenu, zawartość wody, aktywność wody (a w) i inne składniki żywności.

Pierwszą fazą reakcji Maillarda jest reakcja cukru redukującego, na przykład glukozy, z aminokwasem. Przebieg reakcji przedstawiono na ryc. 1 poniżej, a jej produktem jest związek nazywany Amadori.

Ryc. 1: Początkowa faza reakcji Maillarda pomiędzy glukozą i aminokwasem (RNH₂), gdzie R jest wolną grupą aminokwasu (wg. źródła 2)

Jak przedstawiono na ryc. 1, związki typu Amadori łatwo ulegają izomeryzacji do trzech różnych struktur, które mogą reagować w różny sposób w kolejnych fazach. Ponieważ w produktach żywnościowych obecnych jest zwykle 5 różnych reaktywnych cukrów i 20 reaktywnych aminokwasów, w początkowej fazie reakcji może utworzyć się ponad 100 różnych produktów.

Im większa jest cząsteczka cukru, tym wolniej zachodzi reakcja z aminokwasem. Pentozy (5 atomów węgla), na przykład ryboza, reagują szybciej niż heksozy (glukoza, fruktoza) i dwucukry (sacharoza, laktoza). Z kolei, aminokwas lizyna, posiadający dwie grupy aminowe, reaguje najszybciej i powoduje ciemne zabarwienie. Cysteina, z grupą siarkową, wytwarza specyficzny zapach lecz mniejsza zmianę barwy. Alkohole cukrowe lub poliole (sorbitol, ksylitol) nie uczestniczą w reakcji Maillarda. Oznacza to, że podczas wypieku, produkty piekarskie słodzone sorbitolem zmienią barwę nieznacznie lub nie zmienią jej wcale.

Przebieg kolejnych faz reakcji zależy od izomerycznej postaci produktu Amadori. Następuje albo oderwanie grupy aminokwasowej i powstanie reaktywnych związków, które w końcu rozpadają się do ważnych składników zapachowych jak furfural i hydroksymetylfurfural (HMS), albo tzw. przegrupowanie Amadori, które jest początkiem głównych reakcji brązowienia (ryc. 2).

 

Ryc. 2: Powstawanie HMF i przegrupowanie Amadori (wg źródła 2)

Furfural i hydroksymetylofurfural są charakterystycznymi związkami zapachowymi reakcji Maillarda. Furfural jest produktem reakcji pentoz (jak ryboza), a HMF produktem reakcji heksoz (glukoza, sacharoza).

 

Ryc. 3: Chemiczna budowa furfuralu i HMF

Po przegrupowaniu Amadori, wyróżnić można następujące, trzy dalsze drogi reakcji:

• Odwadnianie,

• Rozpad, gdy tworzą się krótkołańcuchowe produkty hydrolizy, na przykład diacetyl i metyloglioksal,

• “ Degradacje Strekera” aminokwasów lub ich kondensacja do aldoli.

W rezultacie tych trzech głównych reakcji powstaje złożona mieszanina zawierająca związki zapachowe i wysokocząsteczkowe, brązowe pigmenty, melanoidyny .

Melanoidyny są obecne w wielu produktach żywnościowych, w kawie, chlebie i piwie. Jednakże jak dotąd, wciąż niewiele wiadomo o właściwościach strukturalnych, funkcjonalnych i fizjologicznych tej grupy związków.

Produkty reakcji Maillarda zmieniają zatem barwę i zapach żywności i w większości przypadków, zmiany te są akceptowane przez konsumentów. Dodatkowo, melanoidyny posiadają korzystne właściwości przeciwutleniające.

Z drugiej jednak strony, reakcje Maillarda mogą obniżyć wartość żywieniową produktu, ze względu na straty aminokwasów i węglowodanów. Niekiedy, jak w przypadku sterylizowanego mleka, nie jest akceptowany „przypalony” zapach produktu.

Niektóre końcowe produkty reakcji Maillarda mogą być także toksyczne lub rakotwórcze. Jednym z produktów reakcji Maillarda jest akrylamid, związek potencjalnie toksyczny, tworzący się w temperaturze powyżej 180 °C, szczególnie w produktach pieczonych lub smażonych (frytki ziemniaczane). Przy smażeniu w temperaturze poniżej 180 °C, akrylamid nie tworzy się.

Ogólnie należy stwierdzić, że produkty reakcji Maillarda są obecne w żywności od tysięcy lat i są spożywane codziennie przez niemal wszystkich ludzi na świecie.

Przy ogrzewaniu żywności nie jest możliwe powstrzymanie tych reakcji. Jedynym sposobem wyeliminowania reakcji Maillarda jest usunięcie z produktu cukrów lub aminokwasów, lub uczynienie produktu bardzo kwaśnym lub bardzo zasadowym.

Brązowienie enzymatyczne

Brązowienie enzymatyczne jest reakcją chemiczną zachodzącą w owocach i warzywach pod wpływem enzymu oksydazy polifenolowej, w wyniku której powstaje brązowe zabarwienie. Brązowienie enzymatyczne zachodzi w owocach (morele, gruszki, banany, winogrona), warzywach (ziemniaki, pieczarki, sałata), a także w „owocach morza” (krewetki, homary i kraby).

Brązowienie enzymatyczne jest niekorzystne dla jakości produktów, szczególnie w okresie przechowywania świeżych owoców po zbiorach, soków po ich wytworzeniu i niektórych owoców morza po złowieniu. Brązowienie enzymatyczne może być odpowiedzialne za prawie 50% wszystkich strat, jakie następują w przetwórstwie owoców i warzyw.

Z drugiej jednak strony, brązowienie enzymatyczne jest niezbędne dla uzyskania odpowiedniej barwy i smaku herbaty, kawy i czekolady.

• Polifenole

• Oksydaza polifenolowa

• Zapobieganie reakcji brązowienia

Polifenole - główne związki uczestniczące w brązowieniu enzymatycznym

Polifenole, nazywane także związkami fenolowymi, stanowią grupę związków chemicznych obecnych w roślinach (owoce, warzywa), które będąc substratem dla enzymów, odgrywają ważną rolę w procesie brązowienia enzymatycznego.

Związki fenolowe odpowiadają za barwę wielu produktów pochodzenia roślinnego, np. jabłek, są odpowiedzialne za smak i zapach napojów (sok jabłkowy, herbata), są także ważnymi przeciwutleniaczami.

Polifenole są złożonymi substancjami organicznymi, zawierającymi więcej niż jedną grupę fenolową (kwas karbolowy).

Struktura 1: Fenol

Struktura 2: Teaflawina, polifenol herbaty (Źródło)

Polifenole dzielą się na wiele różnych podgrup, jak as antocyjany (barwniki roślinne), flawonoidy (katechiny, taniny w herbacie i winie) i związki nieflawonoidowe (kwas galusowy w liściach herbaty). Flawonoidy powstają w roślinach z aromatycznych aminokwasów; fenyloalaniny i tyrozyny.

Jabłka zawdzięczają swą barwę polifenolom

W procesach przetwarzania i przechowywania żywności wiele polifenoli jest nietrwałych, ze względu na reakcje chemiczne i biochemiczne zachodzące z ich udziałem. Do najważniejszych należy reakcja utleniania enzymatycznego powodująca brązowienie owoców i warzyw. Reakcja następuje zwykle po skaleczeniu produktu lub innym mechanicznym oddziaływaniu, powodującym uszkodzenie komórek.

Tabela 1: Wykaz polfenoli biorących udział w reakcji brązowienia (zaczerpnięto ze źródła )

 

Źródło	Substraty fenolowe
Awokado	4-metylo katechol, dopamina, pirogalol, katechol, kwas chlorogenowy, kwas kawowy, DOPA
Bakłażan	kwas chlorogenowy, kwas kawowy, kwas kumarynowy, pochodne kwasu cynamonowego
Banan	3,4-dihydroksyfenyloalanina (DOPA), leukodelfinidyna, leukocjanidyna
Brzoskwinia	kwas chlorogenowy, pirogalol, 4-metylo katechol, kwas kawowy, katechol, kwas galusowy, katechina, dopamina
Gruszka	kwas chlorogenowy, katechol, katechina, kwas kawowy, DOPA, 3,4-dihydroksy kwas benzoesowy, p- krezol
Herbata	flawanole, katechiny, taniny, pochodne kwasu cynamonowego
Homar	tyrozyna
Jabłko	kwas chlorogenowy (miąższ), katechol, katechina (skórka), kwas kawowy, 3,4-dihydroksyfenyloalanina (DOPA), kwas (3,4-dihydroksy)-benzoesowy, p- krezol, 4-metylo katechol, leukocjanidyna, kwas p- k umarynowy, glikozydy flawonolowe
Kakao	katechiny, leukocjanidyny, antocyjaniny, złożone taniny
Krewetka	tyrozyna
Mango	dopamina-HCl, 4-metylo katechol, kwas kawowy, katechol, katechina, kwas chlorogenowy, tyrozyna, DOPA, p- krezol
Morela	kwas izochlorogenowy, kwas kawowy, 4-metylo katechol, kwas chlorogenowy, katechina, epikatechina, pirogalol, katechol, flawonole, pochodne kwasu p- k umarynowego
Pieczarka	tyrozyna, katechol, DOPA, dopamina, adrenalina, noradrenalina
Potato	kwas chlorogenowy, kwas kawowy, katechol, DOPA, p- krezol, kwas (p- hydroksyfenylo)-propionowy, kwas (p- hydroksyfenylo)-pirogronowy, m- krezol
Sałata	tyrozyna, kwas kawowy, pochodne kwasu chlorogenowego
Słodkie ziemniaki	kwas chlorogenowy, kwas kawowy, caffeylamide
Śliwka	kwas chlorogenowy, katechina, kwas kawowy, katechol, DOPA
Winogrono	katechina, kwas chlorogenowy, katechol, kwas kawowy, DOPA, taniny, flawonole, kwas protokatechinowy, rezorcynol, hydrochinon, fenol
Ziarno kawy	kwas chlorogenowy, kwas kawowy

 

Oksydaza polifenolowa (PPO, fenolaza)

Oksydazy polifenolowe są grupą enzymów szeroko rozpowszechnionych w przyrodzie, po raz pierwszy odkrytych w pieczarkach. Znajdują się w plastydach i chloroplastach roślin, choć w postaci wolnej występują w cytoplazmie roślin starzejących się i dojrzewających. Uważa się, że oksydaza polfenolowa odgrywa ważną rolę w mechanizmie obronnym roślin przeciw chorobom wywoływanym przez bakterie i wirusy oraz przeciw niekorzystnym warunkom klimatycznym.

Oksydaza polifenolowa występuje także u zwierząt i jest uważana za związek zwiększający odporność na choroby u insektów i skorupiaków.

W obecności tlenu zawartego w powietrzu, enzym katalizuje pierwszą fazę biochemicznej przemiany związków fenolowych do chinonów, które dalej polimeryzują do nierozpuszczalnych polimerów o ciemnej barwie nazywanych melaninami.

Melaniny tworzą nieprzepuszczalną warstwę i wykazują właściwości przeciwdrobnoustrojowe, zapobiegające rozwijaniu się zakażenia w tkankach roślinnych. Wykazano, że rośliny wykazujące dużą odporność na zmiany klimatu posiadają dużą zawartość oksydazy polifenolowej, w porównaniu do roślin wrażliwych.

Na rycinie poniżej przedstawiono przykład powstawania melanin z prostego polifenolu - tyrozyny.

Struktura 3: Powstawanie melanin z tyrozyny Źródło

Oksydaza polifenolowa katalizuje dwie podstawowe reakcje: hydroksylacji i utleniania. W obu reakcjach zużywany jest tlen cząsteczkowy (z powietrza). Przebieg reakcji zależy zarówno od obecności powietrza jak i pH (kwasowości). Reakcja nie zachodzi w środowisku kwaśnym (pH<5) i zasadowym (pH>8).

Powstrzymanie brązowienia enzymatycznego

Ponieważ barwa jest ważnym wyróżnikiem jakości żywności, mającym wpływ na decyzję konsumenta, zaś barwa brązowa (szczególnie owoców) jest kojarzona z psuciem się, powstrzymanie reakcji brązowienia jest ważnym zadaniem w przetwórstwie żywności.

Istnieje kilka sposobów powstrzymywania reakcji brązowienia enzymatycznego i polegają one na inaktywacji enzymów (termicznie) lub usunięciu podstawowych reagentów z produktu (najczęściej tlenu).

Blanszowanie

Blanszowanie polega na krótkim ogrzaniu produktów przed ich zamrożeniem (głownie warzyw), w celu inaktywacji enzymów. Aktywne enzymy mogą spowodować zmianę barwy lub twardnienie warzyw w czasie zamrażania i w rezultacie pogorszenie jakości. Proces blanszowania rozjaśnia barwę i zmiękcza teksturę produktu, lecz nie powoduje zmiany wartości żywieniowej i właściwości smakowo-zapachowych, z uwagi na krótki czas działania ciepła.

Temperatura blanszowania zależy od rodzaju enzymu obecnego w produkcie i zwykle wynosi od 70 do100 °C, choć czasami jest wyższa, gdy inaktywuje się enzymy o większej odporności na działanie ciepła. W Tabeli 2 podano wskazówki dotyczące temperatury inaktywacji niektórych ważnych enzymów.

Tabela 2: Temperatura inaktywacji niektórych enzymów

 

enzym	skutek	temp. inaktywacji °C
Acylohydrolaza triglicerydowa	jełczenie	~ 75
Lipoksygenaza	jełczenie	~ 80
Oksydaza polifenolowa	brązowienie	~100
Peroksydaza	pogarszanie jakości	~135

 

Metody blanszownia:

• blanszowanie parą wodną/wrzącą wodą;

Blanszowanie parą lub wrzącą wodą stosuje się w celu powstrzymania brązowienia enzymatycznemu owoców i warzyw w konserwach i zamrażanych. Polega to na krótkim ogrzaniu warzyw lub innych produktów w wodzie lub parze wodnej. Blanszowanie w parze wodnej trwa 1,5 razy dłużej, niż w gorącej wodzie.

• blanszowanie mikrofalowe;

Jak wykazano w badaniach, blanszowanie mikrofalowe nie zawsze jest skuteczne, gdyż niektóre enzymy nie ulegają inaktywacji. Rezultatem jest tworzenie się obcych zapachów oraz zmiany tekstury i barwy produktu.

Schładzanie

Schładzanie i przechowywanie chłodnicze ma na celu zapobieganie psuciu się warzyw i owoców w czasie dystrybucji i sprzedaży detalicznej. W warunkach chłodniczych często przechowuje się brokuły, truskawki, szpinak, zielony groszek, banany, mango, awokado i pomidory. W temperaturze poniżej 7 °C następuje wstrzymanie aktywności oksydazy polifenolowej, choć enzym nie jest dezaktywowany. Z tego względu, należy dokładnie regulować temperaturę przechowywania.

Zamrażanie

Zamrażanie, podobnie jak schładzanie, inhibuje enzym lecz nie dezaktywuje go. Po rozmrożeniu, aktywność enzymatyczna wznawia się.

Zmiana pH

Aktywność enzymu zależy od pH. Obniżenie pH do 4,0 poprzez dodanie kwasu cytrynowego, askorbinowego lub innego kwasu, wstrzymuje aktywność enzymatyczną. Podczas domowego przetwarzania owoców lub warzyw, często spryskuje się je sokiem z cytryny lub octem w celu powstrzymania brązowienia.

Odwadnianie

Odwadnianie polega na usunięciu cząsteczek wody z produktu. Aktywność oksydazy polifenolowej zależy bardzo od zawartości wody. Wysuszenie produktu spowoduje inhibicję enzymu, ale nie jego zniszczenie.

W celu uniknięcia strat substancji smakowo-zapachowych i pogorszenia jakości produktu, odwadnianie nie powinno być wykonywane z użyciem energii cieplnej.

Do typowych metod odwadniania należą:

• Liofilizacja, gdzie woda jest usuwana przez sublimację (przemiana stanu stałego w gazowy). Produkty sa najpierw zamrażane, a następnie odwadniane pod obniżonym ciśnieniem.

• Obniżenie aktywności wody przez dodanie substancji wiążących wodę. Najczęściej dodaje się sól (chlorek sodu), sacharozę i inne cukry, glicerol, glikol propylenowy, oraz syropy lub miód.

Napromienianie

Napromienianie, często nazywane „zimną pasteryzacją”, polega na poddaniu żywności działaniu promieniowania jonizującego w celu zabicia bakterii i obniżenia aktywności enzymatycznej. Napromienianiu poddaje się często mięso, owoce morza, owoce, warzywa i ziarna zbóż w celu przedłużenia ich trwałości.

W przetwórstwie żywności wykorzystuje się kilka metod napromieniania, jak: promieniowanie gamma, rentgenowskie i przyspieszone elektrony (wiązka elektronów).

Do wad napromieniania zalicza się straty wartości żywieniowej oraz niską akceptację konsumencką produktów poddanych napromienieniu, przez co, metoda ta jest rzadko stosowana

Paskalizacja

Metoda obróbki żywności polegająca na poddaniu produktu działaniu wysokiego ciśnienia (50-70 MPa) w celu inaktywacji mikroorganizmów i enzymów.

Działanie wysokiego ciśnienia powoduje niewielkie zmiany w żywności. W porównaniu do obróbki cieplnej, produkty poddane paskalizacji posiadają lepszy smak, wygląd, teksturę i większą wartość żywieniową. Zastosowanie paskalizacji eliminuje obce zapachy, typowe dla produktów po obróbce cieplnej. Technika ta jest szczególnie korzystna dla produktów wrażliwych na działanie ciepła, choć jest nadal bardzo kosztowna.

Dodatek inhibitorów

Inhibicja może zachodzić na trzy sposoby:

1. Inaktywacja skierowana na enzym (bezpośrednie działanie na enzym)

2. Inaktywacja skierowana na substrat (eliminacja substratu, jak na przykład tlen lub związki fenolowe)

3. Inaktywacja skierowana na produkt (zmiana składu produktu)

W zależności od rodzaju produktu i procesu przetwarzania stosuje się różnorodne typy inhibitorów. Najważniejsze przedstawiono w tabeli 3.

Tabela 3: Inhibitory brązowienia enzymatycznego

 

Kategoria	Przykład inhibitora	Sposób działania
Środki redukujące	siarczany kwas askorbinowy i podobne cysteina glutation	usunięcie tlenu
Środki chelatujące	fosforany EDTA kwasy organiczne	usunięcie metali (większość oksydaz polifenolowych zawiera atomy metalu)
Środki zakwaszające	kwas cytrynowy kwas fosforowy	obniżenie pH
Inhibitory enzymów	aromatyczne kwasy karboksylowe peptydy podstawione rezorcynole	reagują z enzymami

 

Ultrafiltracja

Ultrafiltracja należy do technik separacji membranowej, w której siłą napędowa jest różnica ciśnień. Składniki cieczy są rozdzielane na membranie w zależności od wymiaru i kształtu. W przemyśle spożywczym technika ta jest stosowana na przykład do białego wina i soków owocowych. Za pomocą ultrafiltracji można separować duże cząsteczki jak oksydazę polifenolową, lecz nie związki o niskiej masie cząsteczkowej jak polifenole.

Działanie ultradźwiękami

Działanie ultradźwiękami jest nowoczesną metodą inaktywacji enzymów. Fala ultradźwiękowa potrafi zniszczyć duże cząsteczki, uwalniając z wody wysoko reaktywne rodniki. Obecnie metoda ta nie jest stosowana w dużej skali.

Działanie dwutlenkiem węgla wstanie nadkrytycznym (SC-CO₂)

Działanie dwutlenkiem węgla w stanie nadkrytycznym (ciekły dwutlenek węgla o dużym ciśnieniu) jest najczęściej stosowane w celu zniszczenia mikroorganizmów, ale moze być także uzyte do inaktywacji enzymów, szczególnie inaktywacji oksydazy polifenolowej w krewetkach, homarach i ziemniakach. Inaktywację enzymu powoduje obniżenie pH wywołane tworzeniem się kwasu węglowego z dwutlenku węgla.

Liofilizacja

Liofilizacja to suszenie sublimacyjne, stosowane do produktów termolabilnych (nieodpornych na ogrzewanie).

Liofilizację w technologii żywności zastosowano po raz pierwszy w latach pięćdziesiątych XX wieku na zlecenie rządu Stanów Zjednoczonych zmierzającego do wyprodukowania lekkich wagowo racji żywności dla astronautów i wojska.

Preparaty zliofilizowane, dzięki rozwiniętej (tzn. dużej) powierzchni, odznaczają się na ogół dobrą rozpuszczalnością, często też są silnie higroskopijne.

Zastosowanie

Liofilizację stosuje się w:

• laboratoriach chemicznych, biochemicznych i biologii molekularnej do zagęszczania i suszenia związków termolabilnych, takich jak białka, kwasy nukleinowe, pochodne nukleozydów i in.

• laboratoriach i zakładach farmaceutycznych do zagęszczania i suszenia substancji,

• technologii żywności do produkcji żywności liofilizowanej,

• biotechnologii przy produkcji białek enzymatycznych,

• archeologii i technologii drewna przy wyciąganiu drewna archeologicznego z wody,

• osuszaniu zalanych i zawilgoconych zbiorów bibliotecznych.

Prowadzenie liofilizacji

W procesie liofilizacji należy najpierw zamrozić suszony preparat. W laboratoriach do zamrażania preparatów stosuje się najczęściej ciekły azot, rzadziej mieszaniny chłodzące (np. suchy lód z etanolem). Zamrożony preparat wprowadza się do próżni (zwykle ciśnienie poniżej 10 Pa), która jest niezbędna do zapoczątkowania sublimacji rozpuszczalnika.

Podczas liofilizacji sublimujące cząsteczki rozpuszczalnika potrzebują energii żeby przejść w stan gazowy. Pobieranie energii przez te cząsteczki powoduje obniżanie temperatury liofilizowanego preparatu, dzięki temu liofilizację można przeprowadzać długo, a preparat nie rozmarza. Do liofilizowanego preparatu należy dostarczać w sposób kontrolowany ciepło podtrzymujące sublimację. Jeśli masa liofilizowanego preparatu jest niewielka, często wystarcza ciepło samoistnie przekazywane przez ścianki naczyń. Podczas liofilizacji należy także usuwać (np. wymrażać) powstające opary rozpuszczalnika.

Liofilizację przeprowadza się w liofilizatorach lub (przy pracy na skalę do kilku gramów preparatu) w kolbach okrągłodennych.

Liofilizator

Liofilizator jest urządzeniem służącym do prowadzenia procesu liofilizacji. Liofilizator jest zbudowany z pompy próżniowej, urządzenia usuwającego pary rozpuszczalnika (zwykle wymrażacz) oraz komór i naczyń, w których umieszcza się suszone preparaty.

Do budowy liofilizatorów stosuje się najczęściej olejowe pompy próżniowe obniżające ciśnienie wewnątrz liofilizatora poniżej 10 Pa. Pompy próżniowe stosowane w liofilizatorach są zwykle wrażliwe na parę wodną i opary rozpuszczalników organicznych.

Liofilizatory są zwykle wyposażone w zawory i złącza pozwalające przyłączać różnego rodzaju naczynia i komory, w których umieszcza się suszone preparaty.

W laboratoriach liofilizację przeprowadza się najczęściej w kubkach wykonanych ze szkła boro-krzemianowego odpornych na nagłe zmiany temperatury np. podczas zamrażania preparatów.

Liofilizatory laboratoryjne są produkowane w wersjach wolno stojących i stawianych na blacie. Produkowane modele różnią się przede wszystkim pojemnością wymrażacza (zwykle w zakresie od 1 do 20 litrów lodu) oraz temperaturą jego pracy. Najczęściej stosowane są wymrażacze pracujące w temperaturze -50 lub -85°C. Do liofilizacji próbek zawierających rozpuszczalniki o bardzo niskiej temperaturze wrzenia stosuje się wymrażacze o temperaturze -120°C.

12

---